Fuzija

Nuklearna reakcija fuzije je reakcija kojom se dvije lake jezgra atoma spajaju u težu jezgru. Tijekom procesa fuzije dolazi do oslobađanja energije jer jezgre koje nastaju reakcijom fuzije imaju manju masu od mase polaznih čestica. Da bi došlo dospajanja dviju lakih jezgara koje nose pozitivan električki naboj potrebno je savladati njihovu odbojnu električnu silu. Tek ako jedna ili obje lake jezgre imaju dovoljno veliku brzinu mogu se približiti dovoljno jedna drugoj da bi jaka privlačna nuklearna sila prevladala odbojnu električnu silu. Medij u kojem lake jezgre mogu postići veliku brzinu odnosno energiju je plazma. Plazma se sastoji od pozitivno nabijenih slobodnih iona i slobodnih elektrona jednakog naboja tako da je taj medij električki neutralan. Dovođenjem energije plazmi podiže se temperatura plazme, a time i energija iona postaje dovoljno velika da bi došlo do fuzijske reakcije.

Do fuzijske reakcije s jezgrama vodika dolazi na Suncu, zvijezdama i u nuklearnim eksplozijama, no tu fuzijska reakciju nije moguće ostvariti na kontrolirani način. Lake jezgre pogodne za kontroliranu fuzijsku reakciju su jezgre deuterija ( izotop vodika čija se jezgra sastoji od jednog protona i jednog neutrona) i tricija (izotop vodika čija se jezgra sastoji od jednog protona i dva neutrona). Temperature koje treba postići da bi došlo do fuzijske reakcije jezgara deuterija iznose stotinjak milijuna kelvina. Pri tim temperaturama plazma koja sadrži jezgre deuterija je nestabilna. Stoga treba spriječiti širenje plazme (tzv. ograničenje plazme) kako bi se održali uvjeti potrebni za fuzijsku reakciju. Ograničenje plazme kod fuzijske reakcije na Suncu ostvaruje se djelovanjem jakog gravitacijskog polja. Fuzijske reakcije u zemaljskim uvjetima ostvarene su magnetskim i inercijskim ograničenjem plazme. Da bi se fuzijska reakcija mogla koristiti kao energetski izvor potrebno je stvoriti uvjete u kojima će se ta reakcija događati kontinuirano. Uređaj u kojem se kontrolirano i kontinuirano odvija fuzijska nuklearna reakcija naziva se fuzijski nuklearni reaktor. Usprkos intenzivnim istraživanjima do sada nisu ostvareni uvjeti za kontinuiranu fuzijsku reakciju. U okviru međunarodnog projekta ITER 2008. godine započela je izgradnja prvog fuzijskog nuklearnog reaktora u Cadarache-u u Francuskoj. Početak pogona ITER reaktora planiran je za 2018. godinu.

Najvažnije fuzijske reakcije između najlakših jezgara deuterija ²H, tricija ³H i helija ³He, te energije Q koje se oslobađaju tim reakcijama su:

U fuzijskom ITER reaktoru fuzijom deuterija i tricija stvarat će se α-zrake (jezgre helija ⁴He) energije 3,5 MeV-a i neutroni energije 14,1 MeV-a. Magnetskim ograničenjem plazme i postizanjem temperature plazme od 100 miliona stupnjeva ostvarit će se uvjeti za fuzijsku reakciju. U prvoj fazi planiran je rad reaktora na snazi 500 MW u trajanju od 1.000 sekundi.